[BÁO KHOA HOC] DÒNG SẢN XUẤT TRONG XÂY DỰNG NHÀ CAO TẦNG

DÒNG SẢN XUẤT TRONG XÂY DỰNG NHÀ CAO TẦNG
Mở đầu:
Thời gian yêu cầu cho xây dựng nhà cao tầng, dù là được đo bằng đơn vị sàn hay
bằng đơn vị diện tích xây dựng, đang gia tăng liên tục xuyên suốt phần lớn thế kỷ
XX bất chấp sự giới thiệu các công nghệ xây dựng được cải tiến giúp gia tăng năng
suất. Để giải thích cho điều này, dường như có sự mâu thuẫn trong cách thức sử
dụng nguồn tài nguyên. Bởi vì các tòa nhà đang ngày một trở nên phức tạp hơn về
mặt kỹ thuật, kéo theo mạng lưới các nhà thầu phụ với chuỗi cung ứng đặc trưng
của mình cũng trở nên nhiều hơn. Vì thế, các nhà quản lý xây dựng ngày một quan
tâm hơn trong khâu quản lý hợp đồng và phân bổ rủi ro, đồng nghĩa với việc họ ít
quan tâm hơn đối với việc quản lý hệ thống sản xuất. Do vậy, những người tham gia
vào dự án, dù vô tình hay cố ý, đã góp phần làm tăng sự tích lũy thời gian dự trữ,
lượng công việc đang trong tiến trình và cả vật tư. Một mô hình mô phỏng sự kiện
rời rạc được thiết lập cho phép thử nghiệm các khía cạnh đa dạng trong quá trình
xây dựng các cao ốc văn phòng, cao ốc thương mại. Trong đó tập trung tìm hiểu sự
tác động của chiến lược sản xuất làm gia tăng khối lượng công việc trong tiến trình
(WIP). Kết quả mô phỏng giải thích việc gia tăng khối lượng công việc trong tiến
trình đã góp phần kéo dài thời gian xây dựng các tòa cao ốc như thế nào. Chính việc
thấu hiểu sẽ đưa đến việc đề xuất thay đổi cách thức tổ chức trong xây dựng nhà cao
tầng để đạt được thời gian ngắn hơn và chi phí thấp hơn cho dự án.
Từ khóa: “mass construction”, “lean construction”, “production flow”, “production
system design”, “tall building”.
Giới thiệu:

Hình 1. Tốc độ xây dựng (tính theo số sàn và diện tích xây được/năm) của 100 tòa
nhà cao nhất thế giới giai đoạn 1929-2008.


Hình 1 thể hiện tỉ lệ xây dựng bình quân, xét trên khía cạnh số sàn và số mét vuông
xây dựng được trên một năm, đối với 100 tòa nhà cao nhất thế giới được xây dựng
từ năm 1929 đến năm 2008 (số liệu: CTBUH 2008; Skyscraper 2008). Trong số các

tòa nhà này, tòa Empire State hiện đang giữ kỷ lục thế giới về tốc độ xây dựng.
Trong khi biểu đồ trong hình 1 không kể đến các nhân tố như độ an toàn, chất lượng
cũng như độ phức tạp trong thiết kế, thời gian yêu cầu cho xây dựng các tòa cao ốc,
dù là đo theo đơn vị số sàn hay theo diện tích xây được gia tăng liên tục trong xuyên
suốt phần lớn thế kỉ XX. Bất chấp việc các tiến bộ trong kỹ thuật xây dựng đã được
trình làng làm gia tăng năng suất.
Một số lý do được đưa ra nhằm giải thích cho sự mâu thuẫn này. Trong đó, rõ ràng
nhất là sự gia tăng số lượng và mức độ phức tạp trong hệ thống của các tòa nhà.
Trong khi tòa “Empire State” chỉ có hệ thống thang máy, hệ thống điện, hệ thống
bơm, hệ thống sưởi và hệ thống thông gió (số liệu theo Willis và Friedman 1998),
tất cả các tòa nhà hiện đại ngày nay đã được trang bị thêm hệ thống vòi phun nước,
hệ thống điều khiển khí hậu, báo cháy, AC, máy phát điện dự phòng, tường bao
ngoài, mạng lưới máy tính, điện thoại, cáp truyền hình, hệ thống an ninh và rất
nhiều hệ thống khác. Các hệ thống không chỉ nhiều hơn về mặt số lượng, mỗi hệ
thống lại bao gồm nhiều thành phần đòi hỏi phải được cung ứng bởi nhiều nhà cung
cấp hơn. Tuy nhiên, tổng thời gian của các tác vụ đơn nhất liên tục được yêu cầu
cho hệ thống phụ trợ kèm theo đường chuẩn không thể giải thích cho sự khác nhau
về mặt thời gian của dự án.
Lý do thứ hai được xem xét là bối cảnh nền kinh tế. Kỉ lục mà tòa Empire State đạt
được trong thời kỳ “Đại khủng hoảng”, nguồn lao động và trang thiết bị trở nên
thừa thải lúc bấy giờ. Có lúc vào cao điểm, có đến 3500 công nhân làm việc trên
công trường. Tuy nhiên, lịch sử cũng ghi nhận các tổng thầu giống nhau hoàn thành
các tòa nhà tương tự với tốc độ tương đương trước cuộc “Đại khủng hoảng”. Vào
năm 1928, kỉ lục về tốc độ xây dựng đạt được là 6.5 tuần cho một kết cấu 27 tầng.
Cũng trong năm này, một toàn nhà 35 tầng khánh thành chỉ trong vòng 7 tháng.
Năm 1929, ngân hàng Mahattan, công trình 77 tầng hoàn tất chỉ trong vòng chưa tới
một năm kể từ lúc khởi công phần móng (theo Tauranac 1995).
Nguyên nhân thứ 3 được đề cập là sự thay đổi và độ tin cậy trong thông tin thiết kế.
Trong đó, hệ thống của một tòa nhà phức tạp và có sự thay đổi giữa các loại sàn và
trong từng sàn, nhiệm vụ tích hợp thiết kế và kết hợp giữa các hệ thống là vô cùng

khó khăn. Khi việc thay đổi thiết kế xảy ra liên tục trong suốt các giai đoạn xây
dựng, độ tin cậy của thông tin cũng bị giảm sút về sau. Sự giảm sút trong quy mô
của dịch vụ thiết kế, song song với đó là giảm chi phí, cũng góp phần làm giảm chất
lượng thiết kế. kết quả là xuất hiện các lỗi, các công việc cần làm lại, sự gián đoạn
dòng sản xuất.
Ngoài ra, chúng ta còn giả thiết thêm một nguyên nhân đáng kế khác trong chính hệ
thống sản xuất, đặc biệt là trong cách sử dụng và phân bổ nguồn lao động. Bởi vì
các tòa nhà tự bản thân chúng đang ngày càng trở nên phức tạp hơn về mặt công
nghệ, kéo theo mạng lưới thầu phụ làm nhiệm vụ chuyên môn hóa chuỗi cung ứng


của mình cũng gia tăng thêm, thậm chí các thầu phụ này thường là còn phân thêm
nhiều lớp nữa. Nhà quản lý xây dựng do vậy chú trọng hơn vào khâu quản lý hợp
đồng và rủi ro mà lơ là trong khâu quản lý sản xuất (theo Koskela và Howell 2002).
Với sự yếu kém trong thiết kế và quản lý hệ thống sản xuất, các bên tham gia, vô
tình hay cố ý, góp phần tích lũy thêm thời gian đệm, côn việc trong tiến trình và cả
vật tư. Điều này có thể được coi là một chiến lược quản lý sản xuất mang tên
“laissez-faire”, trong đó mỗi đội công tác xác định chiến lược của mình ở mức vi
mô. Phương pháp mặc định cho các tổ đội công tác thực hiện công tác thầu phụ giá
đơn vị là tích lũy bộ đệm công việc để đảm bảo hiệu suất cục bộ cao, bằng cách mở
rộng sớm các không gian làm việc sẵn có (Sacks and Harel 2006). Chiến lược tích
lũy WIP này chống lại dòng sản xuất (Hopp and Spearman 1996).
Mục tiêu của nghiên cứu này là nhằm tìm ra tác động của độ tin cậy của thông tin
và của chiến lược quản lý sản xuất đến kết quả trong xây dựng cao ốc văn phòng/
thương mại. Thước đo cho sự so sánh đó là chu kỳ sản xuất, hiệu suất chung của các
tổ đội và thời gian xây dựng. Phương pháp nghiên cứu đó là sử dụng so sánh giữa
các chiến lược khác nhau bằng mô hình mô phỏng sự kiện rời rạc. Đây là công cụ
phổ biến trong nghiên cứu xây dựng (Martinez and Ioannou 1999; Sacks et al. 2007;
Tommelein 1998). Trong trường hợp này, mô phỏng cho phép so sánh rõ ràng các
thay đổi đặc biệt trong các chiến lược và mức độ tin cậy của thông tin thiết kế trong

sự tách rời khỏi yếu tố môi trường kinh tế và nhân tố độ phức tạp của công trình
được đề cập ở trên.
Hệ thống xây dựng của tòa nhà Empire State:
Nghiên cứu chi tiết vào hệ thống sản xuất của tòa nhà Empire State đưa các tác giả
đi đến một khía cạnh mới gọi là “mass construction – xây dựng khối lượng lớn” để
mô tả hệ thống sản xuất được thực hiện. Chúng ta định nghĩa xây dựng khối lượng
lớn là một hệ thống sản xuất của một tòa nhà được đặc trưng bởi các yếu tố sau:
1. Đa đồng bộ và các không gian hoặc mô đun được lặp lại.
2. Dòng công việc được lên kế hoạch bằng cách sử dụng “TAKT time”.
3. Quản lý chuỗi cung ứng trên quy mô công nghiệp.
4. Theo dõi và điều khiển tỉ lệ sản xuất.
5. Thiết kế cẩn thận hệ thống logistic để cung cấp vật tư.
6. Công việc được chuẩn hóa.
7. Tối thiểu sự đa dạng của các phần.
8. Kiểm soát cẩn thận sai số cho phép giữa các phần.
Tất cả các đặc trưng trên được đưa vào trong hệ thống sản xuất của tòa Empire
State. Thêm vào đó, trong trường hợp của tòa Empire State, việc thiết kế được tiến
hành một cách đồng bộ với cùng vị trí của các kỹ sư trong giai đoạn thiết kế ngắn
và tập trung. Mặc dù các tòa nhà cao tầng hiện đại ngày nay có nhiều không gian
lặp lại, tính đồng bộ không thể được đảm bảo xuyên suốt các tầng và do vậy chuẩn
hóa công việc và tối thiểu sự thay đổi giữa các phần không còn là yếu tố cần thiết.
Sự đa dạng và phức tạp trong sản xuất là một trong những lý do đưa đến sự phát
triển của công nghệ “xây dựng tinh gọn” nhằm mục đích cung cấp những giá trị mà
khách hang đã định trước trong khi vẫn đảm bảo lợi nhuận của dòng sản xuất. Xây


dựng tinh gọn có thể được xem như một tiến trình không đơn thuần chỉ là đi từ thủ
công lên công nghiệp hóa mà còn là xây dựng khối lượng lớn. Hình 2.2 thể hiện xây
dựng tinh gọn từ 3 nguồn gốc (thủ công, công nghiệp hóa, xây dựng khối lượng
lớn). Nó kế thừa ý tưởng từ cả 3, cũng như kế thừa từ sản xuất tinh gọn.

Mô phỏng sự tích lũy WIP và sự giảm thiểu WIP:
Bắt nguồn từ những ý tưởng trong sản xuất tinh gọn, xây dựng tinh gọn đề xuất tối
thiểu WIP và cải thiện chất lượng thông tin thiết kế nhằm cải tiến dòng sản xuất.
Trong khi các hệ thống trong một tòa nhà là rất phức tạp, điều này đang được thể
hiện trong các tòa nhà cao tầng hiện đại, sự kết hợp giữa các hệ thống khó khăn bởi
lẽ thiết kế của chúng và chi tiết sản phẩm được thực hiện bởi nhiều người khác
nhau. Việc đồng vị trí của những người triển khai chi tiết bằng cách sử dụng mô
hình thông tin xây dựng chuyên sâu và các công cụ tích hợp đã cho thấy mức độ
hiệu quả cao trong việc giảm thiểu sai sót trong thiết kế và cộng tác. Trong bài báo
này, tác giả chỉ tập trung nghiên cứu sự ảnh hưởng của chiến lược đầu tiên đó là
giảm thiểu WIP.
Một mô hình mô phỏng chi tiết quá trình xây dựng cho một tòa cao ốc văn phòng/
thương mại điển hình được tổng hợp và đưa vào trong phần mềm mô phỏng sự kiện
rời rạc Promodel 2007. Mô hình này cho phép hiệu chỉnh các thông số nhằm mô
phỏng cho bất cứ tòa nhà với số lượng sàn, kích thước sàn và sự liên hợp sàn khác
nhau. Promodel 2007 cung cấp tất cả tám loại không gian mà một tòa nhà có thể có
bao gồm: 5 kiểu không gian theo phương ngang (tầng hầm/ bãi đỗ xem, tầng vào,
tầng văn phòng điển hình, khu vực hành lang trên mỗi tầng và không gian mái kỹ
thuật) và 3 kiểu không gian theo phương dọc (thang máy và hệ thống ống kỹ thuật
trong lõi và mặt dựng). Mỗi không gian này, chính nó được xem là một “thực thể
sản xuất” luân chuyển xuyên suốt sự mô phỏng các hoạt động. Số lượng các kiểu
không gian có thể được thiết đặt để mô phỏng cho các tòa nhà khác nhau.


Các công tác trong xây dựng được mô phỏng bao gồm: công tác đào và hệ chằng
chống (hệ shoring), công tác nền móng, công tác bê tông cốt thép và một loạt các
công tác đa dạng trong phần hệ thống và các công tác hoàn thiện. Có cả thảy 116
loại công tác khác nhau được mô phỏng. Thời gian cho mỗi công tác là ngẫu nhiên,
thay đổi tùy theo phân phối tam giác được xác định từ ba yếu tố: thời gian tối thiểu,

thời gian tối đa và thời gian phổ biến nhất. Sự thay đổi thời gian thể hiện cho sự
thay đổi gây ra bởi độ thiếu tin cậy và sai sót trong thông tin thiết kế, thiếu tính sẵn
có của vật tư, thiết bị và các nhân tố khác chưa được mô phỏng một cách trực tiếp.
Hệ thống cân nhắc một cách rõ ràng tính sẵn có của nhân công trước khi bắt đầu
mỗi công tác: một công tác chỉ được tiến hành khi có đủ tối thiểu số nhân công đã
được thiết đặt trước, thời gian của công tác có thể được tính dựa trên số lượng công
nhân thực tế được gán. Thời gian cũng được hiệu chỉnh nhằm xét đến đường cong
học tập vì mỗi tổ nhóm sẽ tìm ra cách tốt nhất để thực hiện cho mỗi tầng, sử dụng
công thức diễn giải như sau:
Mục đích ban đầu của mô hình là cho phép sự thử nghiệm với các chiến lược quản
lý khác nhau, chẳng hạn như chiến lược “tích lũy WIP” được đề cập ở trên hay
chiến lược “giảm thiểu WIP” được xác định ở dưới, sự tác động của thiết kế và các
lỗi khác, và các ràng buộc về tài nguyên. Cả hai chiến lược đều được so sánh với
chiến lược quản lý mặc định được áp đặt bởi phần mềm mà với xu hướng về phía
tiến trình của thực thể sớm khi nó đến được vị trí. Thứ tự ưu tiên khác nhau có thể
được gán lên các công tác của bất kỳ công tác cho trước để thực thi chiến lược sản
suất khác nhau (công tác có mức độ ưu tiên cao hơn sẽ nhận được công nhân trước
các công tác có mức độ ưu tiên thấp hơn).
Sự cần thiết cho các công tác làm lại được mô phỏng sử dụng tỉ lệ xác xuất xảy ra
lỗi, đi kèm với công tác làm lại có các thời gian khác nhau và các yêu cầu nguồn tài
nguyên dựa trên mức độ nghiêm trọng của lỗi, được xác định bởi phần trăm phù
hợp cho mỗi loại công việc. Nguồn công việc làm lại có thể từ sự thiếu hụt trong
thiết kế, lỗi trong quá trình thực hiện công việc hoặc cả hai. Một ví dụ cho một phần
của mô phỏng được thể hiện bên dưới:


Tất cả dữ liệu cho mô hình được thu thập thông qua chuỗi các cuộc họp trong vòng
6 tháng, mỗi tháng 2 lần với các kỹ sư cao cấp trên các công trình lớn đặc biệt là các
công trình của loại hình công trình đang được mô phỏng. Sự cộng tác cũng bao gồm
các chuyến tham quan công trường của các dự án. Thiết kế đặc trưng và quá trình

xây dựng được sơ đồ một cách chi tiết và thời gian cũng như yêu cầu nguồn lực cho
mỗi công tác cũng như sự thay đổi của chúng được ghi lại.
Kết quả mô phỏng
Đối với giai đoạn của nghiên cứu được báo ở đây, 3 chiến lược quản lý luân phiên
được thử nghiệm sử dụng mô hình mô phỏng:
A)

Tích lũy WIP: Chiến lược này phổ biến đối với các đội công tác của thầu phụ
trong các dự án ít ổn định. Hiệu suất của họ và dòng tiền được tối ưu bằng cách
chiếm dụng không gian vì họ sẽ trở nên sẵn sàng và cho phép tích lũy WIP, nhằm
đảm bảo chiếm đủ nguồn tài nguyên cho họ - tối ưu hóa cục bộ. Chiến lược này có
thể được gọi chiến lược đẩy, trong đó các công tác được khuyến khích bắt đầu thực
hiện bất cứ đâu sớm nhất có thể.
B) Không có chiến lược rõ ràng: Trong trường hợp này, các tổ công tác không biết
nên mở rộng không gian làm việc hay nên hoàn tất các công việc đang trong tiến
trình.
C)

Giảm thiểu WIP: Điều này ngụ ý rằng các nhóm đặt quyền ưu tiên cao hơn trong
việc hoàn tất công việc ở bất cứ không gian nào đã được bắt đầu hơn là bắt đầu làm
việc ở một không gian mới đang chờ sẵn. Đây được gọi là chiến lược “kéo”, và
ngược với chiến lược “đẩy” làm tích lũy WIP.
Hình 4(a) tới 4(c) thể hiện kết quả mô phỏng cho cả 3 chiến lược từ mô hình của
một quá trình xây dựng một tòa nhà có 5 tầng đỗ xe ngầm (mỗi tầng có diện tích


5000m2), hai tầng vào, và 21 tầng văn phòng điển hình với hành lang và lõi thang
máy. Mỗi tầng văn phòng có diện tích 1500m2.
Sự khác biệt chính giữa “tích lũy WIP” (chiến lược A) và “giảm thiểu WIP” (chiến
lược C) có thể được nhìn thấy một cách rõ ràng trong hình 4 và trong dữ liệu là

trong chu kỳ sản xuất yêu cầu cho công tác hoàn thiện cho mỗi khu vực hành lang.
Các công việc hoàn thiện cho mỗi tầng khác biệt về thời gian. Trong hình 4(a) yêu
cầu trung bình 92 ngày, nhưng được bó cụm lại trong hình 4(c), chỉ yêu cầu trong
vòng 50 ngày. Hình 4(b) thể hiện mức độ trung bình giữa hai chiến lược trên. Có thể
tranh cãi rằng điều này thể hiện dự án trong đó nhà quản lý chống lại xu hướng của
nhà thầu phụ muốn mở rộng công việc nhiều nhất có thể, nhưng hoặc là do không
nhận thức được, hoặc là không thể đạt được chính sách giảm thiểu WIP đầy đủ.
WIP cho mỗi trường hợp có thể được đánh giá bằng cách đếm số tầng trong đó công
việc đã bắt đầu nhưng chưa hoàn tất dọc bất kỳ đường thẳng đứng, đại diện cho một
điểm đặt biệt về mặt thời gian. Theo như dự đoán bởi luật Little, WIP sẽ càng cao
khi chu kỳ sản xuất càng dài và sẽ thấp khi chu kỳ sản xuất ngắn. Cũng lưu ý rằng
thứ tự các công việc là không phải luôn luôn là một tiến trình được dự đoán trước
theo hướng đi từ tầng này lên đến tầng kia vẫn thường được thể hiện như trong biểu
đồ Gantt. Thay vào đó, dòng công việc bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về mặt thời
gian bởi thiết kế hoặc lỗi thi công, thay đổi thiết kế, thông tin và dòng vật tư. Khi
công việc trong các không gian chưa đủ sẵn sàng để thi công ở thời điểm mong
muốn bởi vì các điều kiện chưa được đáp ứng, nó vẫn được theo đuổi ở bất cứ đâu
(điều này chỉ khả thi khi kỹ thuật quản lý sản xuất, chẳng hạn như “Hoạch định cuối
cùng”, được sử dụng để khắc phụ sự thiếu sót trong khâu dự đoán trình tự công việc
và trong đó chuỗi cung ứng có thể phản ứng một cách linh hoạt để chuẩn bị cho
công việc ngoài thứ tự).



Kết luận:
Tốc độ chậm chạp trong xây dựng các cao ốc văn phòng, thương mại ngày nay có
thể đổ lỗi cho sự gia tăng mức độ phức tạp của thiết kế và hệ thống. Số lượng thầu
phụ, nhà cung ứng trong các dự án, chiều sâu tổ chức trong các lớp thầu phụ cũng
gia tăng. Tuy nhiên, có thể như một tất yếu, các nhà quản lý xây dựng xuất hiện để
đảm bảo cho việc thiết kế được mịn màng và sự vận hành hệ thống sản xuất của dự

án trên công trường thay vì để cho các tổ nhóm tự tối ưu công việc của họ. Các tổ
công tác tự tối ưu công việc của họ không đem lại sự tối ưu chung cho cả dự án.
Sự khác biệt đáng kể trong kết quả của dự án rút ra từ việc tích lũy WIP và giảm
thiểu WIP nhấn mạnh tầm quan trọng của việc hiểu biết sâu sắc hành vi của hệ
thống sản xuất của dự án của loại hình này. Có vẻ rằng việc xây dựng có thể được
cải tiến nếu các nhà quản lý có kinh nghiệm tốt hơn trong phần “vật lý” của hệ
thống sản xuất xây dựng. Trong các công trình có tính đồng bộ cao, chẳng hạn như
tòa Empire State, xây dựng khối lượng lớn, với tiến trình của các tổ nhóm đã được
tiên lượng trước từ tầng này sang tầng kia sử dụng tỷ lệ sản xuất gần như đồng bộ
và thiết đặt thời gian dự phòng cẩn thận có thể hoạt động trơn tru. Nhưng đối với
các công trình phức tạp hơn và sự thay đổi trong thiết kế và tỉ lệ sản xuất không thể
bị loại bỏ, chẳng hạn như trong trường hợp của các công trình xây dựng hiện đại, kế
hoạch của dự án tiên lượng thứ tự trong tiến trình của các tổ nhóm từ không gian
này sang không gian khác dẫn đến chu kỳ sản xuất dài và kéo dài thời gian dự án.
Điều này càng trầm trọng hơn nếu các tổ nhóm thầu phụ tự ý cho phép mình xác
định tiến trình riêng thông qua việc xây dựng và tích lũy dự phòng WIP.
Công việc được báo cáo ở đây là một phần của nghiên cứu đang được tiếp tục, trong
đó đang tìm hiểu thêm các khía canhj khác của hệ thống quản lý xây dựng cho các
cao ốc văn phòng, thương mại. Nghiên cứ mối quan hệ giữa mức độ thay đổi trong
tỉ lệ lỗi, kích thước các tổ công tác và thời gian dự án là một mối quan tâm đặc biệt.
Bởi vì điều này sẽ cung cấp thước đo trực tiếp giá trị của sự đầu tư trong việc áp
dụng chiến lược tối thiểu hóa WIP và thiết kế sử dụng BIM, cũng như các chiến
lược khác. Mục tiêu cuối cùng là nhằm đưa ra đề xuất cho các nhà quản lý xây dựng
nhà cao tầng.